專利名稱：具有雙精度工作模式的可編程cmos溫度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成電路技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種具有雙精度工作模式的可編程CMOS 溫度傳感器。該溫度傳感器可應(yīng)用于具有低功耗需求的芯片電路系統(tǒng)，如無源超高頻RFID 標(biāo)簽芯片系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在無源超高頻RFID標(biāo)簽芯片里嵌入各種傳感器，將既可以實現(xiàn)傳統(tǒng)的無線身份識別功能，又可以實現(xiàn)各種傳感數(shù)據(jù)的自動采集、記錄和傳輸，這種標(biāo)簽也可認(rèn)為是具有身份識別功能的無源無線傳感器節(jié)點。傳感器技術(shù)與RFID技術(shù)的結(jié)合將可以增強(qiáng)傳統(tǒng)標(biāo)簽的功能，拓展RFID標(biāo)簽的應(yīng)用范圍。在嵌入溫度傳感器的無源無線傳感器節(jié)點或者有溫度測量需求的無源超高頻 RFID標(biāo)簽中，通常要求芯片具有較高的能量效率，較低的功耗和較低的測試成本。這就要求所設(shè)計的溫度傳感器在滿足測量精度的同時具有較低的功耗，較小的面積且只需在一個溫度點處校準(zhǔn)。由于無源超高頻RFID標(biāo)簽芯片是通過吸收閱讀器發(fā)射的電磁波進(jìn)行工作的，這要求嵌入的溫度傳感器必須具有較高的能量效率和較低的功耗，因此大部分標(biāo)簽中的溫度傳感器都采用了時域-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Time-to-Digital Converter, TDC)電路來代替?zhèn)鹘y(tǒng)溫度傳感器中的高能耗ADC電路。這類溫度傳感器的特點是具有極低的功耗，但缺點是測量精度較差，誤差較大且抗共模噪聲的能力較弱，此外還需要在兩個溫度點校準(zhǔn)，大大增加了測試的成本。而嵌入ADC電路的溫度傳感器的特點是測量精度較高，誤差較小，且只需要在一個溫度點處校準(zhǔn)，由于可采用多種提高電路匹配的技術(shù)及差分電路結(jié)構(gòu)，其抗噪聲和共模干擾的能力也較強(qiáng)。因此，為了同時達(dá)到較高的溫度測量性能，較低的功耗和較低的測試成本，需要設(shè)計一種含有ADC電路且具有低功耗特點的溫度傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題在溫度傳感器的應(yīng)用中，針對不同的測溫范圍，一般其測溫要求是不一樣的。通常來說，對于較小的溫度測量范圍，傳感器的精度要求一般較高，這要求傳感器具有較高的溫度測量分辨率和較小的測量誤差。而對于較寬的溫度測量范圍，傳感器的精度要求一般可以適當(dāng)降低，這就降低了傳感器的分辨率和測量誤差的要求。因此本發(fā)明利用了上述應(yīng)用特點，提供了一種嵌入ADC的具有雙精度工作模式的可編程CMOS溫度傳感器。該溫度傳感器具有雙精度的工作模式，降低了傳感器的功耗，也減小了芯片的面積。此外，該傳感器還具有測試精度高，校準(zhǔn)成本低的特點，適合于使用在無源超高頻RFID標(biāo)簽芯片中。
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(二)技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種具有雙精度工作模式的可編程CMOS溫度傳感器，該溫度傳感器包括傳感器前端電路、雙精度sigma-deltaADC和控制電路，其中傳感器前端電路，用于在控制電路產(chǎn)生的控制信號的作用下產(chǎn)生與溫度相關(guān)的電壓信號，并將該與溫度相關(guān)的電壓信號輸出給雙精度sigma-delta ADC ；雙精度sigma-delta ADC，用于在控制電路產(chǎn)生的控制信號的作用下將該與溫度相關(guān)的電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)榘袦囟刃畔⒌臄?shù)字輸出信號；控制電路，用于協(xié)調(diào)傳感器前端電路和雙精度sigma-delta ADC的工作， 并產(chǎn)生動態(tài)匹配、斬波和工作模式選擇所需的控制信號。上述方案中，所述傳感器前端電路由電流大小為nlb的電流源偏置的第一 PNP雙極型晶體管Oi1)和電流大小為Ib的電流源偏置的第二 PNP雙極型晶體管(Q2)構(gòu)成，其中第一 PNP雙極型晶體管Oi1)的基極與發(fā)射極之間的電壓差為Vbei，第二 PNP雙極型晶體管 (Q2)的基極與發(fā)射極之間的電壓差為VBE2。上述方案中，所述雙精度sigma-delta ADC包括雙精度sigma-delta調(diào)制器、抽取濾波器和時鐘信號發(fā)生器，其中sigma-delta調(diào)制器，用于將所述與溫度相關(guān)的電壓信號調(diào)制成數(shù)據(jù)位寬為Ibit的數(shù)據(jù)流，并輸出給抽取濾波器；抽取濾波器，用于將所述數(shù)據(jù)位寬為Ibit的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)位寬為IObit含有溫度信息的數(shù)字輸出信號；時鐘信號發(fā)生器，用于給sigma-delta調(diào)制器提供時鐘信號。上述方案中，所述sigma-delta調(diào)制器還用于實現(xiàn)溫度傳感器兩種工作模式的切換，該兩種工作模式為低精度工作模式和高精度工作模式。所述sigma-delta調(diào)制器將由所述與溫度相關(guān)的電壓信號Vbei和Vbe2及可編程的整數(shù)A，B所產(chǎn)生的信號η = (X-B)/ (A-B)轉(zhuǎn)換為包含溫度信息的數(shù)字信號，其中X = Vbe/AVbe，Vbe = Vbei或Vbe2，AVbe = Vbei-Vbe2，Α，Β為可編程的整數(shù)且A > B。在低精度工作模式下A-B取較大的值，在高精度工作模式下A-B取較小的值，通過改變A-B的值實現(xiàn)溫度傳感器測溫范圍的可編程。上述方案中，所述sigma-delta調(diào)制器包括積分器、帶時鐘輸入端口的比較器和1 位DAC，其中比較器根據(jù)積分器的輸出電壓在每個時鐘周期輸出1位數(shù)據(jù)，當(dāng)輸出的數(shù)據(jù)為 1時，該sigma-delta調(diào)制器將A Δ Vbe WVbe中減去后將差值輸入積分器；當(dāng)輸出數(shù)據(jù)為0 時，該sigma-delta調(diào)制器將B Δ Vbe從Vbe中減去后將差值輸入積分器。所述sigma-delta調(diào)制器采用全差分的開關(guān)電容電路實現(xiàn)，該全差分電路包含兩組采樣電容。所述sigma-delta 調(diào)制器中的積分器為兩級積分器，在所述兩級積分器的的第一級積分器中，Vbei，Vbe2和電路的“地”通過開關(guān)電路選擇性的與采樣電容中的一個端口相連接。在第一級積分器的其中一組采樣電容中在采樣模式下，Vbe2通過開關(guān)電路選擇性的與采樣電容相連接；在積分模式下，電路的“地”通過開關(guān)電路與采樣電容中的一個電容相連接，Vbei通過開關(guān)電路選擇性的與采樣電容中的其他電容相連接。(三)有益效果從上述技術(shù)方案中可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果1、本發(fā)明提供的具有雙精度工作模式的可編程CMOS溫度傳感器，具有雙精度的工作模式，因此降低了對傳感器中ADC的分辨率要求，簡化了 ADC電路的設(shè)計，降低了 ADC 的功耗，加快了 ADC的轉(zhuǎn)換速度，從而降低了傳感器的整體功耗，減小了芯片的面積。2、本發(fā)明提供的具有雙精度工作模式的可編程CMOS溫度傳感器，包含了 ADC電路，因此便于采用各種成熟的技術(shù)將ADC所引入的測量誤差降低到可以忽略的水平，使得只需在一個溫度點處對傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)就能達(dá)到測量的要求，降低了芯片測試的成本。3、本發(fā)明提供的具有雙精度工作模式的可編程CMOS溫度傳感器，在ADC電路中使用了全差分的開關(guān)電容電路，因此便于采用各種成熟的技術(shù)來降低ADC電路所引入的誤差，提高傳感器抗共模噪聲的能力。4、本發(fā)明提供的具有雙精度工作模式的可編程CMOS溫度傳感器，在調(diào)制器中實現(xiàn)了兩種工作模式的切換且具有良好的可編程特性，使得傳感器的溫度測量方式更加靈活。


下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作詳細(xì)說明圖1為依照本發(fā)明實施例的具有雙精度工作模式的可編程CMOS溫度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是依照本發(fā)明實施例的具有雙精度工作模式的可編程CMOS溫度傳感器中用于產(chǎn)生隨溫度變化的電壓信號的傳感器前端電路的示意圖。圖3為本發(fā)明所提出sigma-delta調(diào)制器的典型實施例在低精度模式下的工作原理圖。圖4為本發(fā)明所提出sigma-delta調(diào)制器的典型實施例在高精度模式下的工作原理圖。圖5是本發(fā)明所提出sigma-delta調(diào)制器的典型電路實現(xiàn)方式。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。為了使得溫度傳感器達(dá)到可靠及良好的溫度測量性能，通常需要在其中嵌入ADC 電路，而為了盡可能降低ADC電路的功耗，本發(fā)明提出了一種具有雙精度工作模式的溫度傳感器，降低了對ADC電路的分辨率要求，可以在滿足測量要求的同時簡化電路設(shè)計，降低傳感器功耗。該溫度傳感器電路適合于在有低功耗需求的無源超高頻電子標(biāo)簽芯片中使用。本發(fā)明提供的這種具有雙精度工作模式的可編程CMOS溫度傳感器，該溫度傳感器包括了兩種工作模式低精度工作模式和高精度工作模式。在低精度工作模式下，其測量溫度范圍較寬，測量分辨率較低，測量誤差較大；在高精度工作模式下，其測量溫度范圍較小，測量分辨率較高，測量誤差較小。在這兩種工作模式下，其測溫范圍均可編程，通過這種獨特的雙精度工作模式，降低了對傳感器對ADC分辨率的要求，從而節(jié)省了功耗。該溫度傳感器在一個溫度點處校準(zhǔn)后即可正常工作，當(dāng)在多個溫度點處校準(zhǔn)后，其測量誤差可進(jìn)一步減小。圖1為依照本發(fā)明實施例的具有雙精度工作模式的可編程CMOS溫度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。它主要由基于襯底PNP管的傳感器前端電路1，雙精度sigma-delta ADC 2和控制電路組成3。傳感器前端電路主要用于產(chǎn)生與溫度相關(guān)的電壓信號；雙精度sigma-deltaADC負(fù)責(zé)將與溫度相關(guān)的電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)榘袦囟刃畔⒌臄?shù)字信號；控制電路主要用于協(xié)調(diào)各個電路模塊的工作并負(fù)責(zé)產(chǎn)生動態(tài)匹配、斬波和工作模式選擇等操作所需的控制信號。其中雙精度sigma-delta ADC由雙精度sigma-delta調(diào)制器4，抽取濾波器5和時鐘信號發(fā)生器6組成。其中sigma-delta調(diào)制器主要負(fù)責(zé)將與溫度相關(guān)的電壓信號調(diào)制成數(shù)據(jù)位寬為Ibit的數(shù)據(jù)流，該數(shù)據(jù)流經(jīng)過抽取濾波器后轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)位寬為IObit含有溫度信息的數(shù)字輸出信號。時鐘信號發(fā)生器主要負(fù)責(zé)給sigma-delta調(diào)制器提供各種時鐘信號。圖2給出了依照本發(fā)明實施例的具有雙精度工作模式的可編程CMOS溫度傳感器中用于產(chǎn)生隨溫度變化的電壓信號的傳感器前端電路的示意圖。該傳感器前端電路由電流大小分別為nlb和Ib的兩個電流源所分別偏置的兩個PNP雙極型晶體管％和％組成，其中晶體管A和A的基極和發(fā)射極之間的電壓差分別為Vbei和vBE2。對于PNP管，其BE結(jié)的電壓差Vbe可以表示為
權(quán)利要求
1.一種具有雙精度工作模式的可編程CMOS溫度傳感器，其特征在于，該溫度傳感器包括傳感器前端電路、雙精度sigma-delta ADC和控制電路，其中傳感器前端電路，用于在控制電路產(chǎn)生的控制信號的作用下產(chǎn)生與溫度相關(guān)的電壓信號，并將該與溫度相關(guān)的電壓信號輸出給雙精度sigma-delta ADC ；雙精度sigma-delta ADC，用于在控制電路產(chǎn)生的控制信號的作用下將該與溫度相關(guān)的電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)榘袦囟刃畔⒌臄?shù)字輸出信號；控制電路，用于協(xié)調(diào)傳感器前端電路和雙精度sigma-delta ADC的工作，并產(chǎn)生動態(tài)匹配、斬波和工作模式選擇所需的控制信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有雙精度工作模式的可編程CMOS溫度傳感器，其特征在于，所述傳感器前端電路由電流大小為nlb的電流源偏置的第一 PNP雙極型晶體管Oi1)和電流大小為Ib的電流源偏置的第二 PNP雙極型晶體管(Q2)構(gòu)成，其中第一 PNP雙極型晶體管Oi1)的基極與發(fā)射極之間的電壓差為Vbei，第二 PNP雙極型晶體管( )的基極與發(fā)射極之間的電壓差為￥皿2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有雙精度工作模式的可編程CMOS溫度傳感器，其特征在于，所述雙精度sigma-delta ADC包括雙精度sigma-delta調(diào)制器、抽取濾波器和時鐘信號發(fā)生器，其中sigma-delta調(diào)制器，用于將所述與溫度相關(guān)的電壓信號調(diào)制成數(shù)據(jù)位寬為Ibit的數(shù)據(jù)流，并輸出給抽取濾波器；抽取濾波器，用于將所述數(shù)據(jù)位寬為Ibit的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)位寬為IObit含有溫度信息的數(shù)字輸出信號；時鐘信號發(fā)生器，用于給sigma-delta調(diào)制器提供時鐘信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有雙精度工作模式的可編程CMOS溫度傳感器，其特征在于，所述sigma-delta調(diào)制器還用于實現(xiàn)溫度傳感器兩種工作模式的切換，該兩種工作模式為低精度工作模式和高精度工作模式。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有雙精度工作模式的可編程CMOS溫度傳感器，其特征在于，所述sigma-delta調(diào)制器將由所述與溫度相關(guān)的電壓信號Vbei和Vbe2及可編程的整數(shù) A，B所產(chǎn)生的信號η = (X-B)/(A-B)轉(zhuǎn)換為包含溫度信息的數(shù)字信號，其中X = VBE/Δ VBE， VBE = Vbei 或 VBE2，Δ VBE = VBEI-Vbe2，Α，B 為可編程的整數(shù)且 A > B。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的具有雙精度工作模式的可編程CMOS溫度傳感器，其特征在于，在低精度工作模式下A-B取較大的值，在高精度工作模式下A-B取較小的值，通過改變 A-B的值實現(xiàn)溫度傳感器測溫范圍的可編程。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有雙精度工作模式的可編程CMOS溫度傳感器，其特征在于，所述sigma-delta調(diào)制器包括積分器、帶時鐘輸入端口的比較器和1位DAC，其中比較器根據(jù)積分器的輸出電壓在每個時鐘周期輸出1位數(shù)據(jù)，當(dāng)輸出的數(shù)據(jù)為1時，該 sigma-delta調(diào)制器將A Δ Vbe WVbe中減去后將差值輸入積分器；當(dāng)輸出數(shù)據(jù)為0時，該 sigma-delta調(diào)制器將B Δ Vbe從Vbe中減去后將差值輸入積分器。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的具有雙精度工作模式的可編程CMOS溫度傳感器，其特征在于，所述sigma-delta調(diào)制器采用全差分的開關(guān)電容電路實現(xiàn)，該全差分電路包含兩組采樣電容。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的具有雙精度工作模式的可編程CMOS溫度傳感器，其特征在于，所述sigma-delta調(diào)制器中的積分器為兩級積分器，在所述兩級積分器的第一級積分器中，Vbei，Vbe2和電路的“地”通過開關(guān)電路選擇性的與采樣電容中的一個端口相連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的具有雙精度工作模式的可編程CMOS溫度傳感器，其特征在于，在所述sigma-delta調(diào)制器的第一級積分器中的其中一組采樣電容中在采樣模式下， Vbe2通過開關(guān)電路選擇性的與采樣電容相連接；在積分模式下，電路的“地”通過開關(guān)電路與采樣電容中的一個電容相連接，Vbei通過開關(guān)電路選擇性的與采樣電容中的其他電容相連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有雙精度工作模式的可編程CMOS溫度傳感器，包括傳感器前端電路，用于在控制電路產(chǎn)生的控制信號的作用下產(chǎn)生與溫度相關(guān)的電壓信號，并將該與溫度相關(guān)的電壓信號輸出給雙精度sigma-delta ADC；雙精度sigma-delta ADC，用于在控制電路產(chǎn)生的控制信號的作用下將該與溫度相關(guān)的電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)榘袦囟刃畔⒌臄?shù)字輸出信號；控制電路，用于協(xié)調(diào)傳感器前端電路和雙精度sigma-delta ADC的工作，并產(chǎn)生動態(tài)匹配、斬波和工作模式選擇所需的控制信號。該溫度傳感器包括兩種工作模式低精度工作模式和高精度工作模式。在這兩種工作模式下，其測溫范圍均可編程，通過這種獨特的雙精度工作模式，降低了對傳感器對ADC分辨率的要求，從而節(jié)省了功耗。
文檔編號G01K7/01GK102435336SQ201110306248
公開日2012年5月2日 申請日期2011年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月11日
發(fā)明者馮鵬, 吳南健 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所